2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——水熱法合成光催化材料的研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.水熱法通常指在高于常壓下，利用水的蒸氣壓隨溫度升高而增大的特性，使水在較高溫度下保持液態(tài)的反應(yīng)技術(shù)。以下哪項(xiàng)不屬于水熱反應(yīng)通常所需的基本條件？A.特定的化學(xué)反應(yīng)前驅(qū)體B.高溫（通常高于100°C）C.高壓（通常高于0.1MPa，且壓力隨溫度升高而增大）D.液相介質(zhì)（水）2.在水熱合成過程中，通過控制反應(yīng)體系的pH值，可以顯著影響產(chǎn)物的成核和生長過程。對(duì)于許多金屬氧化物而言，通常在何種pH條件下有利于形成較小的晶粒尺寸和較高的比表面積？A.強(qiáng)酸性條件B.中性條件C.弱堿性條件D.強(qiáng)堿性條件3.晶體的成核過程通常包括均勻成核和非均勻成核兩種方式。在水熱合成中，反應(yīng)器內(nèi)壁、不溶性前驅(qū)體顆粒表面或已形成的微小晶核表面等都可以作為非均勻成核的場(chǎng)所。非均勻成核相較于均勻成核，通常具有：A.更高的能量勢(shì)壘B.更低的過飽和度要求C.更慢的成核速率D.更復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)4.對(duì)于光催化劑而言，其能帶結(jié)構(gòu)是決定其光響應(yīng)范圍和光生電荷分離效率的關(guān)鍵因素。為了有效利用可見光（波長大于387nm），理想的半導(dǎo)體光催化劑應(yīng)具備怎樣的能帶位置？A.較高的導(dǎo)帶底和較低的價(jià)帶頂（寬禁帶）B.較低的導(dǎo)帶底和較高的價(jià)帶頂（窄禁帶）C.較高的導(dǎo)帶底和較高的價(jià)帶頂（窄禁帶）D.較低的導(dǎo)帶底和較低的價(jià)帶頂（寬禁帶）5.水熱法相比于常規(guī)的固相合成方法，其主要優(yōu)勢(shì)之一在于能夠有效抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物純度。這主要是因?yàn)樗疅岘h(huán)境：A.提供了更強(qiáng)的還原性B.增加了反應(yīng)物擴(kuò)散速率C.降低了反應(yīng)體系的熵變D.提供了均勻的液相反應(yīng)介質(zhì)，減少了局部濃度梯度和pH梯度6.在水熱合成TiO?等金屬氧化物時(shí)，通過改變前驅(qū)體的種類（如使用TiCl?、Ti(OBu)?、Ti(OAc)?等）和配體（如果使用）可以調(diào)控產(chǎn)物的物相。通常，使用TiCl?作為前驅(qū)體時(shí)，在水熱條件下更易獲得：A.金紅石相（Rutile）B.銳鈦礦相（Anatase）C.板鈦礦相（Brookite）D.鈦酸亞鐵相（FeTiO?）7.原子比是控制光催化材料（如鈣鈦礦型氧化物）晶相和性能的關(guān)鍵因素。例如，在合成ABO?型鈣鈦礦時(shí)，如果A、B元素的原子比偏離理想值1:1，可能會(huì)導(dǎo)致：A.材料比表面積顯著增大B.出現(xiàn)非化學(xué)計(jì)量的缺陷C.形成新的晶相D.光催化活性顯著提高8.比表面積是影響光催化材料活性（尤其是表面積依賴型反應(yīng)）的重要物理參數(shù)。在水熱合成中，以下哪種措施通常不利于增大產(chǎn)物的比表面積？A.采用納米級(jí)前驅(qū)體B.控制反應(yīng)在較低的過飽和度下進(jìn)行C.獲得高度分散的納米顆?；蚨嗫捉Y(jié)構(gòu)D.延長反應(yīng)時(shí)間至出現(xiàn)明顯的晶粒生長9.X射線衍射（XRD）是表征光催化材料晶體結(jié)構(gòu)的重要手段。通過XRD圖譜可以準(zhǔn)確判斷產(chǎn)物的物相組成、結(jié)晶度以及晶粒尺寸。以下哪項(xiàng)信息不能通過典型的XRD圖譜直接獲得？A.材料的主要晶相B.材料的晶粒尺寸（使用謝樂公式）C.材料的微觀形貌D.材料的晶格參數(shù)10.為了研究水熱合成過程中產(chǎn)物的形貌演變或最終產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，常用的表征技術(shù)是：A.X射線光電子能譜（XPS）B.拉曼光譜（RamanSpectroscopy）C.透射電子顯微鏡（TEM）D.比表面積及孔徑分析儀二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將正確答案填在題后的橫線上）1.水熱反應(yīng)通常在密閉的反應(yīng)器中進(jìn)行，以維持反應(yīng)體系的高溫高壓條件，這種反應(yīng)器也常被稱為______。2.提高水熱反應(yīng)體系的溫度，不僅可以增加反應(yīng)物分子的動(dòng)能，促進(jìn)______，還可以使水的蒸氣壓升高，在更高溫度下保持液態(tài)。3.光催化材料在使用過程中，需要在水、氣、光等不同環(huán)境中保持穩(wěn)定，不易發(fā)生______、______或化學(xué)腐蝕。4.在水熱合成光催化劑時(shí)，通過______可以調(diào)節(jié)產(chǎn)物的粒徑大小、形貌（如納米顆粒、納米管、納米帶、多孔材料等）和分散性。5.當(dāng)水熱反應(yīng)體系中某種物質(zhì)的濃度遠(yuǎn)大于其在該溫度下的溶解度時(shí)，就形成了______，這是驅(qū)動(dòng)成核和晶體生長的驅(qū)動(dòng)力。6.紫外-可見漫反射光譜（UV-VisDRS）是表征光催化材料______結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)，可以確定其光吸收的波長范圍。7.為了使水熱合成過程更加綠色和可持續(xù)，研究者們開始探索使用______、______等作為反應(yīng)溶劑替代傳統(tǒng)的水。8.水熱法不僅可以合成金屬氧化物光催化劑，也可以用于制備______、______等類型的半導(dǎo)體光催化材料。9.通過控制反應(yīng)體系的pH值，不僅可以影響前驅(qū)體的溶解和存在形式，還可以調(diào)控產(chǎn)物的______和______。10.對(duì)于具有能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光催化劑而言，提高光生電子-空穴對(duì)______的效率是提升其光催化活性的關(guān)鍵。三、簡答題（每小題5分，共20分）1.簡述水熱法合成光催化材料時(shí)，反應(yīng)溫度和壓力這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)產(chǎn)物性能（如晶相、尺寸、形貌、純度）的主要影響。2.為什么說光催化劑的比表面積對(duì)其光催化活性（特別是表面積依賴型反應(yīng)）具有重要影響？水熱法在制備高比表面積材料方面有何優(yōu)勢(shì)？3.簡要說明在水熱合成過程中，如何通過選擇合適的溶劑來影響產(chǎn)物的成核和生長行為。4.解釋水熱法中“過飽和度”的概念及其在晶體成核過程中的作用。四、論述題（每小題10分，共30分）1.以一種具體的光催化材料（如TiO?、ZnO或一種鈣鈦礦）為例，詳細(xì)闡述水熱法合成該材料的典型工藝流程，并說明其中關(guān)鍵步驟的調(diào)控目的。2.論述在水熱合成光催化材料的研究中，如何利用多種表征技術(shù)（如XRD、SEM、TEM、BET、XPS、UV-VisDRS）的互補(bǔ)性，綜合分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌、組成、光學(xué)性質(zhì)和表面化學(xué)狀態(tài)。3.比較水熱法與溶膠-凝膠法這兩種常用的無機(jī)材料合成方法在水熱法合成光催化材料方面的主要異同點(diǎn)，并分析各自的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。試卷答案一、選擇題1.A解析：水熱法的基本條件是高溫、高壓和液相介質(zhì)（水）。特定的化學(xué)反應(yīng)前驅(qū)體是進(jìn)行具體合成的物質(zhì)基礎(chǔ)，不是水熱法本身必需的物理?xiàng)l件。2.C解析：在弱堿性條件下，金屬離子通常以羥基絡(luò)合物形式存在，有利于形成無定形態(tài)或過飽和溶液，從而在成核和生長初期形成較小的晶粒尺寸和較高的比表面積。3.B解析：非均勻成核利用了體系中的固相界面或高濃度區(qū)域等非均勻點(diǎn)，降低了成核所需的過飽和度，因此比需要克服更高能量勢(shì)壘的均勻成核更容易發(fā)生。4.B解析：利用可見光需要半導(dǎo)體具有合適的能帶間隙（通常小于2.5eV）。較窄的禁帶寬度允許材料吸收波長較長的可見光。同時(shí)，導(dǎo)帶底需要足夠低（接近真空能級(jí)），價(jià)帶頂需要足夠高（能與氧的功函數(shù)或反應(yīng)物的電勢(shì)匹配），才能有效進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。5.D解析：均勻的液相環(huán)境可以抑制固相間的副反應(yīng)，減少局部濃度和pH的梯度，使反應(yīng)更受控，從而提高產(chǎn)物純度。6.A解析：TiCl?在高溫水溶液中易發(fā)生水解，并傾向于形成結(jié)晶度較低、堆積較松散的金紅石相。Ti(OBu)?通常用于制備銳鈦礦相，Ti(OAc)?水解溫度相對(duì)較低。7.B解析：偏離理想原子比會(huì)導(dǎo)致晶格中產(chǎn)生空位、填隙原子等缺陷，這些缺陷可以改變材料的電子結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)和催化活性位點(diǎn)。8.D解析：延長反應(yīng)時(shí)間通常會(huì)導(dǎo)致晶粒生長和團(tuán)聚，從而降低比表面積。其他選項(xiàng)如使用納米級(jí)前驅(qū)體、低過飽和度、獲得高度分散結(jié)構(gòu)都有利于增大比表面積。9.C解析：XRD主要提供晶體結(jié)構(gòu)信息，無法直接反映材料的二維或三維微觀形貌。形貌信息通常通過SEM、TEM等顯微表征技術(shù)獲得。10.C解析：透射電子顯微鏡（TEM）具有高分辨率，能夠觀察納米級(jí)材料的形貌、尺寸、晶格結(jié)構(gòu)以及缺陷等詳細(xì)信息，是研究水熱合成產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的有力工具。二、填空題1.高壓反應(yīng)釜2.擴(kuò)散3.光漂白，化學(xué)分解4.反應(yīng)時(shí)間5.過飽和度6.能帶7.乙醇，丙酮8.碳化物，氮化物9.晶粒尺寸，形貌10.分離三、簡答題1.解析：反應(yīng)溫度升高，分子動(dòng)能增加，擴(kuò)散速率加快，成核和生長速率都增大。但過高的溫度可能導(dǎo)致成核速率大于生長速率，形成更多細(xì)小晶粒；或者導(dǎo)致生長速率過快，晶粒粗大，結(jié)晶度降低。同時(shí)，高溫也可能促進(jìn)副反應(yīng)或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。壓力主要影響水的飽和蒸氣壓和溶劑活度，對(duì)大多數(shù)固相反應(yīng)影響相對(duì)較小，但在極高壓力下可能影響產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)。溫度對(duì)pH值也有影響，進(jìn)而影響沉淀物的溶解和沉淀過程。2.解析：許多光催化反應(yīng)發(fā)生在材料的表面。比表面積越大，單位質(zhì)量材料提供的活性位點(diǎn)越多，與反應(yīng)物接觸的機(jī)會(huì)越大，從而有利于提高反應(yīng)速率和光催化活性。對(duì)于光生電荷分離效率，較大的比表面積也有利于電荷快速遷移到材料表面與吸附的反應(yīng)物反應(yīng)，減少復(fù)合。水熱法易于獲得納米級(jí)或亞微米級(jí)顆粒，以及形成多孔結(jié)構(gòu)，這些都有利于增大比表面積。3.解析：溶劑的選擇會(huì)影響前驅(qū)體的溶解度、水解/縮聚反應(yīng)的速率和機(jī)理、產(chǎn)物的成核和生長過程。極性溶劑（如水、醇）有利于離子型或極性前驅(qū)體的溶解，并可能促進(jìn)水解反應(yīng)。非極性溶劑（如油）則可能選擇性地溶解某些組分或改變反應(yīng)路徑。溶劑的介電常數(shù)、粘度、熱穩(wěn)定性等也會(huì)影響反應(yīng)過程和產(chǎn)物性質(zhì)。使用綠色溶劑（如乙醇、乙二醇）有時(shí)還能改善產(chǎn)物的形貌或減少環(huán)境污染。4.解析：過飽和度是指溶液中某種物質(zhì)的實(shí)際濃度（或活度）與其在該溫度下的飽和濃度（或活度）之差，即Cs-C。它是溶液偏離平衡狀態(tài)的程度，是驅(qū)動(dòng)晶體成核和生長的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)過飽和度足夠大時(shí)，體系傾向于通過生成新相（晶體）來降低自由能。過飽和度越高，成核驅(qū)動(dòng)力越大，成核速率越快。但過飽和度過高也可能導(dǎo)致成核過于迅速，形成大量細(xì)小晶核，不利于形成較大尺寸的晶體。四、論述題1.解析：以合成銳鈦礦相TiO?納米顆粒為例，典型水熱合成工藝流程如下：首先，將一定量的鈦源（如TiCl?或Ti(OBu)?）溶解在溶劑（如去離子水或乙醇）中，根據(jù)需要可加入少量酸（如HCl）調(diào)節(jié)pH值，并加入表面活性劑（如PVP）以控制形貌。然后，將混合溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，密封。將反應(yīng)釜置于烘箱或馬弗爐中，在設(shè)定的高溫（通常150-250°C）和壓力下反應(yīng)一定時(shí)間（幾小時(shí)到幾十小時(shí)）。反應(yīng)結(jié)束后，冷卻反應(yīng)釜，將所得沉淀物用去離子水或乙醇洗滌數(shù)次，去除殘留的離子和表面活性劑，最后通過干燥（如真空干燥或冷凍干燥）得到TiO?粉末。關(guān)鍵步驟的調(diào)控目的：溶解和pH調(diào)節(jié)是為了確保鈦源以合適的形態(tài)存在并控制水解速率；表面活性劑的選擇和加入量是為了通過空間位阻效應(yīng)控制TiO?納米晶的生長方向和最終形貌；反應(yīng)溫度和時(shí)間是影響成核速率、晶粒尺寸和結(jié)晶度的關(guān)鍵因素；洗滌和干燥是為了獲得純度高、性質(zhì)穩(wěn)定的最終產(chǎn)品。2.解析：在水熱合成光催化材料研究中，多種表征技術(shù)的互補(bǔ)性體現(xiàn)在對(duì)材料從宏觀到微觀、從結(jié)構(gòu)到組成、從體相到表面的全面表征。XRD用于確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、物相組成、晶粒尺寸和晶格參數(shù)，是理解其基本物理性質(zhì)的基礎(chǔ)。SEM和TEM則用于觀察材料的宏觀形貌（顆粒大小、分布、形狀）和微觀形貌（表面結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)、缺陷類型），這對(duì)于理解材料的光學(xué)散射、表面反應(yīng)活性等至關(guān)重要。BET測(cè)試用于精確測(cè)定材料的比表面積和孔結(jié)構(gòu)信息，這與吸附性能和表面反應(yīng)活性密切相關(guān)。XPS是一種表面分析技術(shù)，可以提供材料表面元素組成、化學(xué)態(tài)（價(jià)態(tài)、鍵合情況）和表面電子結(jié)構(gòu)的信息，對(duì)于揭示光催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)、表面電子轉(zhuǎn)移過程以及材料的穩(wěn)定性非常重要。UV-VisDRS用于測(cè)定材料的光學(xué)吸收邊和帶隙寬度，這是評(píng)估其光響應(yīng)范圍和能否吸收可見光的關(guān)鍵。綜合運(yùn)用這些技術(shù)，可以全面了解水熱合成的產(chǎn)物特性，深入分析其結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，為優(yōu)化合成條件和提高光催化活性提供依據(jù)。3.解析：水熱法與溶膠-凝膠法都是常用的無機(jī)材料合成方法，但存在一些主要異同點(diǎn)。相同點(diǎn)：都是液相合成方法，可以在相對(duì)較低的溫度下（相比高溫固相反應(yīng)）進(jìn)行前驅(qū)體的水解、縮聚或沉淀反應(yīng)，易于獲得均勻的混合物，且通常不需要額外的燒結(jié)步驟即可得到較純的產(chǎn)物粉末。兩者都可以通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體、溶劑、pH、溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件來控制產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)和形貌。不同點(diǎn)：水熱法在高溫（通常>100°C）和高壓（>0.1MPa）的密閉反應(yīng)釜中進(jìn)行，利用水的強(qiáng)極性和高溶解能力，以及高溫高壓對(duì)反應(yīng)速率、成核和生長的影響，特別適合合成難熔化合物、晶態(tài)材料、納米材料、多孔材料以及控制材料的形貌（如納米管、納米帶）。而溶膠-凝